5G承載城軌車-地綜合通信的方案

高義標

（山東軌道交通勘察設計院有限公司，濟南 250101）

2015年以來，國內城市軌道交通系統承載CBTC、PIS、緊急報文等車地通信數據的無線通信系統逐漸從Wi-Fi向LTE技術過渡，直到2018年中國軌道交通協會發布《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）》（簡稱協會4G標準）系列標準，標志著以LTE-M標準為核心的城市軌道交通車-地綜合通信系統技術及應用實踐趨于成熟。但隨著近年來很多城市開始嘗試開通GoA4級無人駕駛城市軌道交通線路，列車監控、乘客服務等業務對車-地通信的承載能力又有了新的變化，需測算LTE-M標準是否還能滿足要求。本文以GoA4級8編組列車的理想需求為標準，測算車-地綜合通信承載需求。

1 承載需求分析

1.1 信息帶寬需求

現行協會4G標準系統需求給出車-地綜合通信承載的各項業務和單列車GoA4模式下信息帶寬需求。但在標準制定時考慮到4G空口的吞吐能力，對相關業務需求做了限制。隨著強化安全管理、提升服務水平、列車智能維護、緊急情況處置等新需求的陸續出現，列車運行數據、視頻監視數據、視頻集群列調、疏散指揮、蠕動運行等信息傳輸帶寬需求猛增。理想的單列車的車-地綜合通信承載能力需求如表1所示。

表1 車-地通信帶寬潛在需求Tab.1 Potential bandwidth demand of vehicle-ground communication

表1較協會4G標準主要增加了IMS視頻監控、多媒體集群調度、蠕動控制的帶寬需求。IMS視頻監控支持同時調看8路720 P/H.264半球攝像頭的信號確定帶寬需求，以便各車廂的攝像頭可同時輪詢。多媒體集群調度支持雙向視頻調度。蠕動行車情況下，可調用前方路況監視1路1 080 P/H.264攝像頭。這樣，以一個小區4列車計算，單個小區信息帶寬需求為上行4×22 Mbit/s，下行4×7 Mbit/s。

1.2 QoS等級要求

協會4G標準推薦的各業務QoS等級，是基于3GPP TS23.203制定的，其業務劃分方式基于LTE標準，與車-地通信業務種類并不吻合。為了不至于超出3GPP TS23.203標準所能支持的承載能力，協會4G標準車-地通信個別業務QCI設置降低了標準。理想情況下，單列車的車-地綜合通信QoS水平宜按照表2設置。

表2 車-地通信QoS等級理想標準Tab.2 Ideal standard for QoS level of vehicle-ground communication

2 LTE-M承載能力

根據工信部和國家無線電管理局的規定，無線電頻譜資源中的1.8 GHz頻段已明確作為城市軌道交通等行業專用頻段，共20 M帶寬。考慮到20 M帶寬無法獨占，分析承載能力按照A網、B網各5 M為例，采用TD-LTE制式。根據實測數據統計，A網、B網均采用單漏纜的情況下，單網平均承載能力如表3所示，QoS水平如表4所示。

表3 5 M帶寬LTE-M單天線承載能力Tab.3 Single antenna carrying capacity of 5M bandwidth

表4 5 M帶寬LTE-M單天線QoS水平Tab.4 Single antenna QoS level of 5M bandwidth

對比表1中列車車-地通信業務信息帶寬潛在需求，5 M帶寬LTE-M系統部署為A網、B網關鍵業務冗余模式，均采用單漏纜情況下，其承載能力顯然不滿足需求，尤其是上行承載能力。

3 5G技術簡介

由中國主持的IMT-2020（5G）推進組正依據ITU提出的5G關鍵指標為基本目標，分階段推進5G標準制定和技術驗證。根據IMT-2020（5G）推進組發布的5G概念白皮書描述，5G主要面對4大場景，主要關鍵技術指標如表5所示。

表5 5G主要場景與關鍵技術指標Tab.5 Main scenarios and key technical indicators of 5G

5G技術創新主要來源于無線技術和網絡技術兩方面。在無線技術領域，大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術已成為業界關注的焦點；在網絡技術領域，基于軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）的新型網絡架構已取得廣泛共識。不同應用場景具有不同的挑戰性指標需求，在可能情況下，需要合理選擇關鍵技術的組合來滿足這些需求。

4 5G應用于車-地通信的潛力

根據承載需求分析可以看出，城市軌道交通車-地通信的應用場景雖具有一定特殊性，但與商用蜂窩移動通信的場景定義基本吻合。將城市軌道交通車-地通信的應用需求，按照5G的場景分類方法對照，如表6所示。

對比表6的重點指標與表5所列5G關鍵技術指標可以看出，5G愿景的主要技術指標滿足城市軌道交通GoA4模式車-地通信業務的需求。

表6 5G場景與軌道交通車-地通信業務對應關系Tab.6 Correspondence between 5G scenarios and vehicle-ground communication service for rail transit

5G網絡作為新型基礎設施的底層技術，其與人工智能、云計算、物聯網的結合，將有助于推動智能軌道交通的建設，而5G網絡提供的符合承載能力要求的高帶寬、低延時車-地移動通信系統是實施智能軌道交通的基本必要條件。

但軌道交通無線通信的連續廣域覆蓋場景，通過大規模天線陣列大幅提升系統頻譜效率，不具備經濟可行性，只能考慮通過在更高頻段獲得更多帶寬資源提升空口吞吐能力，現有條件下還存在一些限制因素。一是無線電管理局為市政公用事業劃分的專用頻段（1.8 G頻段，1 785～1 805 MHz）可用帶寬資源有限，重耕后用于5G，除非采用MIMO技術組網，5G的寬帶承載能力并不能充分體現；二是在厘米波頻段申請專用頻段存在不確定性，更高頻段暫不具備在隧道組網的手段；三是5G網絡在公網的使用才剛剛開始，與4G的融合、網絡新技術等還需在公網中進一步驗證。

5 組網方案研究

3種場景中，熱點高容量業務可以單點覆蓋，基站少，非常適于采用高頻點的厘米波超密集MIMO技術覆蓋。

對于連續廣域覆蓋和低延時高可靠場景，基于可控的技術發展情況及軌道交通無線通信需求，提出5個組網方案。

方案1：雙系統獨立組網（SA）模式。一套部署在重耕的1.8 G頻段，另一套采用超融合技術跨1.8 G和專用厘米波頻段部署。

方案2：自建SA和租用結合的模式。自建系統部署在重耕的1.8 G頻段，另一套租用部署在厘米波頻段的5G公網虛擬。

方案3：4G+非獨立組網（NSA）模式。一套4G部署在1.8 G頻段，另一套4G、5G混合組網跨1.8 G和專用厘米波頻段部署。

方案4：4G+租用模式。自建的單系統（或既有雙系統）部署在1.8 G頻段，另一套租用部署在厘米波頻段的5G公網虛擬。

方案5：雙4G+租用升級改造模式。兩套4G部署在1.8 G頻段，另租用部署在厘米波頻段的5G公網承載增量業務。

方案1為最理想模式，結構簡單、可靠性高、可維護性強，便于分步全面采用5G各項新技術；方案2為方案1在無法取得專用厘米波頻段情況下的應對措施；方案3主要考慮在既有LTE-M標準基礎上的增容，思路清晰、易于被接受，但存在投資收益率偏低的問題；方案4是對方案2的簡單優化，主要考慮在1.8 G頻段部署5G承載能力提高不大，仍采用4G部署，可以兼顧性能與投資；方案5主要用于既有線路的快速升級改造，既有雙4G系統不變，另行租用公網承載新增業務，可以規避各種不確定因素,以便快速落地。

6 未來發展展望

對于目前無線電管理局僅為市政公用事業劃分1.8 G頻段20 M帶寬頻譜資源，無法滿足在城市軌道交通工程中部署5G網絡的問題，可以看到，UHF頻段（分米波），尤其是0.8～3 GHz是各種無線通信的黃金頻段，可以相對兼顧大帶寬、長距離、抗干擾、設備開發難度低等優勢。現有工程技術條件下，對該頻譜資源的開發利用已相當成熟，現有設備的傳輸能力已接近香農極限。該頻段頻譜利用率已飽和，再增加專用頻譜資源也幾無可能。

因此，在UHF頻段部署車-地通信5G網已意義不大，未來只能期待在厘米波頻段取得專用或共享頻譜資源，帶寬不小于40 M，或者在更小帶寬資源的情況下考慮使用MIMO技術。若不能實現或不具備經濟技術可行性，只能考慮租借運營商頻譜資源或直接租用公網承載。就當前來看，在厘米波的3.0～5.0 GHz范圍內取得專用或共享頻譜資源的可能性不大，而在更高頻段，暫無經濟技術水平合適的方案用于解決隧道無線覆蓋的問題。

高頻段厘米波以及更高的毫米波頻段頻譜資源非常豐富，尚未被充分開發利用，在軌道交通應用的主要技術限制還是在于正線尤其是隧道的信號覆蓋問題。期待未來有新型漏泄電纜或波導管，解決3GPP 定義的FR1 5.0～6.0 GHz頻段，甚至FR2 26 GHz頻段在隧道的覆蓋問題。場段的列車數據轉儲屬于熱點高容量業務，采用單小區大規模MIMO天線陣列覆蓋；場段廣域覆蓋場景下列車不載客，可以不考慮IMS視頻監控業務，連續廣域覆蓋的帶寬需求遠遠低于正線，可考慮仍采用低頻段全向天線覆蓋。

隨著5G在公網的逐漸鋪開，面對5G的新技術將逐步得到推廣和驗證，尤其是D2D和邊緣計算技術對于提高車輛控制的效率、可靠性具有潛在價值，將是在完成5G基礎網絡部署后，下一步在軌道交通行業推廣應用的重點研究領域。

7 結論及建議

5G的典型新技術為軌道交通車-地綜合通信向低延時、高容量、隧道化、車對車方向發展提供技術支持，尤其是可以滿足GoA4級運行模式對車-地通信系統的苛刻要求。針對具體項目的不同需求和現狀，均有可行的組網方案。但5G通信設備現階段的研發重點主要為滿足公網低成本覆蓋的需要，很多新技術還沒有投入實際使用。加之面對軌道交通車-地通信特殊需求的線狀覆蓋方案、無線頻譜授權等問題目前還無法解決，使得用5G承載城市軌道交通車-地綜合通信的征途還稍顯漫長，但其前景相當值得期待。